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微機保護裝置硬件平臺設計的發展趨勢

編輯部 | 2012/2/15 10:39:47

微機保護的硬件平臺一般由以下多個功能模塊組成:(1)CPU與存儲器接口;(2)定時計數器;(3)中斷邏輯;(4)串并行通信接口;(5)實時時鐘;(6)看門狗電路;(7)顯示控制電路;(8)數據存儲器;(9)固態盤或存儲器A(程序);(10)固態盤或存儲器B(報告);(11)固態盤或存儲器C(整定值);(12)開關量光隔輸入;(13)開關量光隔功放輸出;(14)工業局域網接口三相繼電保護測試儀
隨著集成電路和計算機技術的飛速發展,以及嵌入式應用的日益廣泛,許多器件廠家將功能模塊1~7集成到一個芯片中,而工控機廠家在此基礎上,將模塊8~9甚至14進一步集成到STD、PC/104、VME武漢智能星電氣有限公司等總線工控機的主板或單板工控機上,基本上實現了“總線不出板”,大幅度提高了系統的性能和抗干擾能力,為微機保護裝置整機性能和可靠性的增強奠定了良好基礎。
本文就處理器、開發方式及存儲空間、數據采集、通信方式的現狀及今后的發展趨勢做簡短的分析和比較。
1. 處理器
目前主要有3類處理器可供高性能微機保護裝置選用,即DSP、RISC和X86 3類器件。
DSP器件的突出特點是計算能力強、精度高、總線速度快、I/O吞吐量大,尤其是采用專用硬件實現定點或浮點的乘加(矩陣)運算,極大地縮短了數字濾波、濾序和傅氏算法的計算時間,有助于保護動作速度的提高。目前,針對嵌入式應用的需求,DSP器件廠家在提高器件集成度、簡化系統設計的同時大幅度降低了價格,以期替代單片機(MCU)占領嵌入式應用市場,這為繼電保護廠家提高保護裝置性能,進行產品更新換代提供了一個非常好的物質手段。就上述2種方案而言,較為理想的DSP器件有TI公司的TMS 320C30/31/32和AD公司的ADSP 210C60/62 2類32位浮點器件,其中TMS320C30有系統和外設2條總線,使運算和I/O可同時進行、互不影響。
RISC器件一般具有較高的主頻和很強的運算能力,由于其集成度和性能價格比的提高,不僅被應用于要求較高的計算環境,而且廣泛出現在各種投資類和消費類電子產品中,日本的一些電氣廠商如三菱、日立、東芝等,也都利用RISC器件開發其繼電保護產品。在這類器件中,日立公司SH?3系列中的7718(32位)和SH?4系列中的7750(64位)、IDT公司的79R3081(32位)和79640(64位),武漢智能星電氣有限公司以及IBM和Mrtorola的Power PC系微機繼電保護測試儀列,DEC Alpha系列中的部分產品,由于兼有嵌入式設計和出眾的浮點計算能力,因而能夠較好地滿足微機保護的要求。然而RISC器件由于主頻較高、系統設計和制造較單片機(MCU)復雜、開發工具有國內不普及等原因,武漢智能星電氣有限公司目前還不易為繼電保護廠家所接受。隨著其在消費類電子產品和電信業中應用的日益普及,特別是隨著國內計算機和家電廠商對個人數字助理(PDA)的研制開發,RISC器件必然為更多的用戶所接受和熟悉,出現在微機保護裝置中將不過是時間問題。
X86器件得益于Wintel體系在個人機領域的優勢,為了占領嵌入式應用市場,Intel、AMD、國家半導體(NS)和ST等器件廠家均在386或486內核的基礎上,通過集成外圍器件和接口推出了一系列與PC軟硬件兼容的嵌入式處理器,如Intel 386EX、AMD386/486E、ElanSC300、SC400系列,NS486SXF以及ST486等,國家半導體公司更是提出了“PC on a chip”的口號。盡管這類器件在性能上較前兩者遜色(相同主頻而言),然而由于可以利用PC豐富的開發環境、應用軟件和電路設計技術,因而一經推出就得到了眾多工控機廠家的歡迎,并紛紛在其基礎上開發出ISA、STD、PC/104、VME、Compact PCI等總線工控主板(EPSON公司的主板僅為信用卡大小),繼電器廠家也推出了基于Intel 386EX的微機發電機組保護和錄波裝置。就微機保護對計算精度和速度的要求而言,比較合適的是集成了浮點協處理器的486DX及以上等級的微處理器及其對應的嵌入式芯片。值得指出的是,英特爾多能奔騰、高能奔騰及奔騰兩代微處理器中除集成了浮點協處理器外,還增加了以整形數乘加運算為基礎的多媒體指令(MMX),而AMD公司最近推出的K6?2 3D Now!中進一步擴展和增強了以浮點數乘加運算為基礎的圖形操作指令,靈活運用MMX和3D Now技術可以達到DSP器件同樣的效果。
除上述3類器件外,由于可編程控制器(PLC)體積小、可靠性高、擴展性強,前端可帶電插拔等優點,在工業自動化領域得到了廣泛應用,其中部分產品(如奧地利B&R公司的PCC)通過高速總線支持多個高性能CPU插件,內嵌實時多任務操作系統和多種通信協議并支持C語言編程。因此,用戶無需任何外部軟件支持即可完成應用軟件的編程、調試和固化。采用這種PLC作為機組保護裝置的硬件平臺既可簡化軟硬件開發工作,又提高了裝置的整體可靠性。其不足是價格較為昂貴,從而影響了其應用范圍。
2. 開發方式
隨著高性能處理器在微機保護裝置中的采用,其開發方式與單片機時代相比有了很大的不同,其中最突出的一點是在操作系統支持下采用高級語言進行編程。對于X86器件而言,武漢智能星電氣有限公司受益于Wintel體系的規模效應和豐富的軟件資源,用戶往往直接在MS?DOS操作系統支持下,采用編程、編譯、調試集成環境進行開發。這種方式最大的優點是節省了購置專用開發裝置軟硬件的費用以及開發人員的培訓時間,且在DOS支持下能夠生成漢化人機界面和報告,然而由于是商用機的開發技術,因而必然存在著以下不足:(1)僅支持X86器件且硬件平臺需與PC兼容;(2)DOS不支持多任務、多線程,對內存的管理和安全機制均有局限性,要由開發人員自己考慮所有可能發生的問題并加以解決,增加了開發的難度和周期;(3)DOS環境中,用戶程序需調入內存才能運行,不僅增加了硬件開銷,同時也推遲了保護功能的投入;(4)集成環境無法對硬件系統進行調試。
隨著商用微機操作系統由DOS向32位的Windows 95和NT過渡,一些第三方廠家(如Phar Lap)以Windows NT的內核和Win 32API為基礎推出了適應于嵌入式應用的32位實時操作系統及開發工具,有效地提供了搶先式多任務和事件驅動機制并增強了內存管理和系統運行的穩定性。
隨著PDA的興起,Windows 95/NT的袖珍版Windows CE在嵌入式應用領域也有了更高的市場占有率。相比前者,其能夠支持更多的器件種類,硬件平臺也不要求與PC兼容,因而具有更強的適應能力。武漢智能星電氣有限公司然而對于上述(3)、(4)2點,不僅沒有改進反而進一步增加了硬件開銷和引導時間。
與上述借用商用操作系統和集成環境的開發方式相對應,許多實時操作系統專業廠家為嵌入式應用推出了多種實時多任務操作系統(RTOS),如QNX、PSOS、Nuleus、VRTX、VxWork等,不僅代碼緊湊、對硬件資源占用少,而且與用戶程序一同固化到EPROM或閃存中就地運行,無需加載至內存。此外,由于這類RTOS專門針對了工業(軍事)應用的需要,而不是從商用操作系統改良而來,因而具有更強的任務切換和線程通信機能,實時性和穩定性很強且支持多種微處理器及嵌入式控制器(包括DSP),在開發或仿真系統支持下,可對硬件系統進行調試(甚至是多CPU或DSP系統)和實時仿真。當然,這種開發方式也存在需專門購置RTOS和開發工具,以及需培訓開發人員等不足。
針對以上兩者的不足,同時也是得益于處理器尋址空間的擴大,代碼駐留或就地運行技術(XIP)得到了越來越多工控廠家的支持。該技術仍然基于ROM?DOS和X86平臺,然而與第1種開發方式相比,電子盤位于其尋址空間的高端,并可在保護模式下直接尋址而不是通過I/O或頁面方式訪問。因此,用戶程序可用文件方式固化到閃存電子盤中,上電運行后,CPU進入保護模式并直接跳轉到用戶程序處運行,不用再將其加載到內存空間,這種方式既利用了DOS環境豐富的資源,又節省了內存空間。此外,由于代碼和數據分別在尋址空間的高端和低端,因而系統具有更好的安全性。不過,這種開發方式要求用戶程序在編譯連接時進行代碼、數據分離和代碼重新定位并以bin文件形式進行固化。
在編程語言選擇方面,由于C/C++語言效率高、靈活、可移植性好,而得到了廣泛使用,但安全性較差是其最為致命的缺點;PL/M?86/386語言盡管效率、安全性好但缺乏靈活性,又僅針對X86芯片,因而使用不如C/C++廣泛。而兼有上述優點的Ada 95語言在安全、高效、靈活、可移植性好的基礎上又增加了對面向對象程序設計的完全支持,武漢智能星電氣有限公司并提供了更加有效的實時、分布式和并行程序的設計環境,已成為軍事嵌入式應用的主流語言并正向工業領域擴展。采用Ada 95開發微機保護軟件將有助于進一步提高代碼質量、可維護性和可移植性。
此外,利用OOP技術將各種保護算法和判據編制成“標準元件”,并根據保護方案中各判據的邏輯關系將其“組態”(如SEL公司的SEL?321?5,ABB公司的REG 216中已采用這種技術),將極大地提高微機保護裝置的開發效率和質量。
3. 其它相關問題
3.1 存儲空間
微機保護裝置的存儲空間一般由5部分組成:
(1)操作系統和用戶應用程序的駐留(固化)空間。對于ROM?DOS支持下的X86平臺而言,該部分空間多以電子盤的形式存在,而用戶程序亦以DOS文件方式固化在高速EPROM或閃存中,只是逐漸采用XIP就地運行方式取代了加載至內存運行。這部分存儲空間必需直接位于CPU的尋址范圍內(對高檔X86芯片而言,是在保護模式下的高端尋址空間)。
(2)暫存系統參數、運算數據和中間結果的內存空間。當采用XIP技術后,這部分空間可大為減小。如果裝置直接采用PC內存條,那么最好支持ECC功能以進一步提高系統的容錯能力。
(3)整定值的存儲空間。由于整定值在微機保護中占有特別重要的地位,因而對這部分存儲空間有著特殊的要求:①由于整定值的重要性,因此必須保存在本質性的非易失性存儲介質中,而單獨的NVSRAM不能滿足上述要求;武漢智能星電氣有限公司②由于每一整定項都要求可單獨訪問,而目前的閃存芯片必需以頁或扇區方式訪問,因此E2PROM較閃存更適合整定值的保存;③由于E2PROM的寫入速度很慢,因此不支持DOS環境下數據文件中的浮點數分字節快速連續寫入,因而整定值不應以DOS文件方式保存在E2PROM中。此外,SRAM與E2PROM組合型器件的出現使整定值可以數據文件方式保存在電子盤中,但必須在對盤進行寫操作后將整個數據文件從器件的SRAM區寫回E2PROM中保存,對閃存電子盤而言,也至少須將對應扇區重寫;④E2PROM有串行和并行兩種,并行E2PROM訪問方便,但占用一定的地址空間且被誤操作的可能性亦多些;串行E2PROM通過串行通信總線或I/O口線訪問,不占用地址空間且安全性亦較并行E2PROM要好,但訪問不如后者便利;⑤為了提高E2PROM中數據的安全性,可設置寫保護或將其安排在X86器件保護模式尋址空間的中端,與高端程序代碼和低端的數據空間有足夠的間隔。
此外,還可在不同的地址空間或同一E2PROM中的不同區域設置多個鏡像的整定值塊,并定期進行整定值自檢。
(4)各類報告的存儲空間。為了便于長期保存和閱讀,武漢智能星電氣有限公司可將報告制成DOS文本文件格式,保存在基于NVSRAM器件的電子盤中,該盤以I/O方式訪問即可。
(5)其它用途的存儲空間,如與數據采集系統交換數據的雙口RAM等。這部分存儲空間應安排在常規內存的高端以免與低端的數據空間發生沖突。 3.2 數據采集
微機保護裝置中數據采集的速度、精度以及動態范圍對其性能有著十分重要的影響。近年來,以ANN為代表的人工智能技術和小波分析等理論,以及瞬態保護概念等逐步引入繼電保護領域,這對采樣率提出了更高的要求。
由于采樣率的提高導致了采樣間隙的縮短,為了給CPU留出更多的時間進行數據預處理、起動計算和主保護計算,有必要大幅度壓縮數據采集本身的時間開銷。一種措施是增設專門的處理器,控制數據采集過程并進行預處理,然后將數據通過雙口RAM、FIFO等方式傳遞給主CPU進行保護計算[2]。這種方式雖節省了主CPU的數據采集時間,但由于增設了采集處理器和相應的外圍電路與器件,使系統的開發、調試更為復雜。另一種方法是,采用高速轉換器件并減少CPU干預,以減少其數據采集時間[3]。該方案中,一輪數據采集的總時間可由下式來描述:
交流耐壓試驗中N——總的模擬通道數;M——并行設置的A/D轉換器數;t0——外部采樣時間;t1——通道切換與信號建立時間;t2——模數轉換時間;t3——采集數據讀取時間。
由此可見,要縮短ts,必須采用高速S/H、MUX、BUF和ADC,以分別縮短t0~t1;通過提高處理器的I/O速度或采用DMA來縮短t3;此外,增加ADC的數量也可減小ts(由于機組保護所需的模擬信號較多,武漢智能星電氣有限公司因此通過增加M來減小ts是一個非常有效的方法)。
為了進一步簡化電路設計和調試,一些半導體元件廠家將完整的數據采集系統集成到一塊芯片中,其能夠自動完成所有輸入通道的數據采集工作而無需CPU干預。這類器件以美國MAXIM公司的MAX125/6和AD公司的AD7874為代表,其中MAX125集成了兩組各4路輸入通道(4個采樣保持器),具有14位分辨率和3 μs的模數轉換時間;4×14位雙口RAM以及與多數DSP及16/32 位微處理器兼容的并行接口,因此采用多片MAX125或AD7874并行工作,將會極大地提高微機保護裝置的數據采集能力,同時簡化了電路設計與調試。
3.3 通信方式
為了減輕微機保護裝置中微處理器的負擔,一般不由它單獨承擔人 機交互和文檔管理任務,而是通過通信接口與上層管理機或調試用微機交換,諸如整定值、采樣值報告、故障報告、硬件測試命令與結果,以及一些實時測量參數等信息。目前常用的通信接口有RS-232(需光隔)、RS-422/485以及Bitbus、Arcnet、Lonworks、CAN、GPIB等工業局域網。武漢智能星電氣有限公司由于后幾者利用硬件自動實現檢錯、糾錯、重發等差錯控制功能,因而在具有較高傳輸速率的同時也有效地降低了誤碼率。此外、通過提供用戶編程接口,極大地簡化了通信軟件的開發工作。在幾種工業局域網中,CAN的實現方式最為簡單,成本最低且作為無主網絡,增減結點也非常方便,因而非常適合在機組保護裝置中應用。
隨著計算機技術和虛擬儀器技術的長足發展,USB和IEEE 1394高速總線已逐步成為上述領域的標準配置并受到越來越多的軟硬件廠家支持,因而亦有可能在不久的將來作為X86硬件平臺的一部分出現在微機保護裝置中,以統一現有的各種通信方式直流電阻測試儀
此外,部分嵌入式器件或工控主板上集成有顯示器接口,保護裝置可以利用其將調試信息(如采樣值、I/O狀態等)和部分實時測量參數(如差流、繞組對地阻抗、機端視在阻抗、有功和無功功率等)以及簡單故障信息進行就地顯示,既減輕了網絡負荷,又提供了遠比面板上的LED指示更為豐富的信息,并且還方便了開發調試過程。
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